Pullover

Forscher der Carnegie Mellon University entwickeln Stoff und Sensorsystem zur Messung von Kontakt und Druck

Carnegie Mellon Universität

Bild: RobotSweater, entwickelt von einem Forschungsteam am Robotics Institute und hier an einem Roboterarm gezeigt, ist eine maschinengestrickte textile „Haut“, die Kontakt und Druck wahrnehmen kann.mehr sehen

Bildnachweis: Carnegie Mellon University

Die Eigenschaften, die einen Strickpullover bequem und leicht zu tragen machen, sind die gleichen, die es Robotern ermöglichen könnten, besser mit Menschen zu interagieren.

RobotSweater, entwickelt von einem Forschungsteam des Robotics Institute der Carnegie Mellon University, ist eine maschinengestrickte textile „Haut“, die Kontakt und Druck wahrnehmen kann.

„Wir können das nutzen, um den Roboter bei seiner Interaktion mit Menschen intelligenter zu machen“, sagte Changliu Liu, Assistenzprofessor für Robotik an der Fakultät für Informatik.

So wie Stricker jede Art von Garn nehmen und daraus eine Socke, Mütze oder einen Pullover in jeder Größe und Form verarbeiten können, kann der gestrickte RobotSweater-Stoff individuell an unebene dreidimensionale Oberflächen angepasst werden.

„Strickmaschinen können Garne in Formen formen, die nicht flach, sondern gebogen oder klumpig sein können“, sagte James McCann, Assistenzprofessor am SCS, dessen Forschung sich in den letzten Jahren auf die Textilherstellung konzentrierte. „Das brachte uns zu der Überlegung, dass wir vielleicht Sensoren herstellen könnten, die über gekrümmte oder klobige Roboter passen.“

Sobald der Stoff gestrickt ist, kann er dem Roboter helfen, zu „spüren“, wenn ein Mensch ihn berührt, insbesondere in einer industriellen Umgebung, in der Sicherheit oberste Priorität hat. Aktuelle Lösungen zur Erkennung der Mensch-Roboter-Interaktion in der Industrie sehen aus wie Schutzschilde und verwenden sehr steife Materialien, die laut Liu nicht den gesamten Körper des Roboters bedecken können, da sich einige Teile verformen müssen.

„Mit RobotSweater kann der gesamte Körper des Roboters abgedeckt werden, sodass er mögliche Kollisionen erkennen kann“, sagte Liu, dessen Forschung sich auf industrielle Anwendungen der Robotik konzentriert.

Das Gestrick von RobotSweater besteht aus zwei Lagen leitfähigem Garn aus Metallfasern zur Stromleitung. Dazwischen liegt eine netzartige Schicht mit Spitzenmuster. Wenn Druck auf den Stoff ausgeübt wird – beispielsweise durch eine Berührung durch jemanden – schließt das leitfähige Garn einen Stromkreis und wird von den Sensoren erfasst.

„Die Kraft drückt die Zeilen und Spalten zusammen, um die Verbindung zu schließen“, sagte Wenzhen Yuan, Assistenzprofessor am SCS und Direktor des RoboTouch-Labors. „Wenn eine Kraft durch die leitenden Streifen wirkt, würden die Schichten einander durch die Löcher berühren.“

Abgesehen von der Gestaltung der gestrickten Schichten, einschließlich Dutzender, wenn nicht Hunderter von Mustern und Tests, stand das Team vor einer weiteren Herausforderung bei der Verbindung der Verkabelungs- und Elektronikkomponenten mit dem weichen Textil.

„Es gab eine Menge umständlicher physischer Prototypenbau und Anpassungen“, sagte McCann. „Den Studenten, die daran arbeiteten, ist es gelungen, von etwas, das vielversprechend schien, etwas zu schaffen, das tatsächlich funktionierte.“

Was funktionierte, war, die Drähte um Druckknöpfe zu wickeln, die an den Enden jedes Streifens im Strickstoff angebracht waren. Druckknöpfe seien eine kostengünstige und effiziente Lösung, so dass sogar Hobbybastler, die Textilien mit elektronischen Elementen herstellen, sogenannte E-Textilien, sie verwenden könnten, sagte McCann.

„Man braucht eine Möglichkeit, diese Dinge miteinander zu verbinden, die stabil ist, damit sie Dehnungen aushält, aber das Garn nicht zerstört“, sagte er und fügte hinzu, dass das Team auch über die Verwendung flexibler Leiterplatten diskutiert habe.

Sobald RobotSweater am Körper des Roboters angebracht ist, kann er die Verteilung, Form und Kraft des Kontakts erfassen. Es ist außerdem genauer und effektiver als die visuellen Sensoren, auf die sich die meisten Roboter derzeit verlassen.

„Der Roboter bewegt sich so, wie der Mensch ihn drückt, oder kann auf menschliche soziale Gesten reagieren“, sagte Yuan.

In ihrer Forschung zeigte das Team, dass ein mit RobotSweater ausgestatteter Begleitroboter ihm durch Anstoßen mitteilte, in welche Richtung er sich bewegen oder in welche Richtung er seinen Kopf drehen soll. Bei der Verwendung an einem Roboterarm ermöglichte RobotSweater einen Druck von der Hand einer Person, um die Bewegung des Arms zu steuern, während das Ergreifen des Arms ihm mitteilte, seinen Greifer zu öffnen oder zu schließen.

In zukünftigen Forschungen möchte das Team untersuchen, wie man Reaktionen auf Wisch- oder Kneifbewegungen auf einem Touchscreen programmieren kann.

Das Team – einschließlich SCS Ph.D. Die Studierenden Zilin Si und Tianhong Catherine Yu sowie die Gaststudentin Katrene Morozov von der University of California, Santa Barbara – werden nächste Woche auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2023 den RobotSweater-Forschungsbericht vorstellen.

Die drei Fakultätsmitglieder begannen eines Tages in einem Gespräch während des Mittagessens und die Zusammenarbeit und die Spezialisierung des Forscherteams halfen dabei, den RobotSweater zum Leben zu erwecken, sagte McCann.

„Wir hatten eine Person, die über Herstellung nachdachte, eine Person, die über die Integration von Robotik nachdachte, eine Person, die über Sensorik nachdachte, und eine Person, die über Planung und Kontrolle nachdachte“, sagte er. „Es ist wirklich schön, dieses Projekt zu haben, bei dem wir die gesamte Belegschaft haben, um jedes Anliegen abzudecken.“

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